Caractéristiques des précipitations hivernales et des conditions atmosphériques sur la face orientale des Rocheuses canadiennes de l'Alberta

CARACTÉRISTIQUES DES PRÉCIPITATIONS IDVERNALES ET

DES CONDITIONS ATMOSPHÉRIQUES SUR LA FACE

ORIENTALE DES ROCHEUSES CANADIENNES EN ALBERTA

MÉMOIRE

PRÉSENTÉ COMME EXIGENCE PARTIELLE

DE LA MAITRISE EN SCIENCES DE L'ATMOSPHÈRE

PAR

PAUL RÉMI BRUNO VAQUER

Avertissement

La diffusion de ce mémoire se fait dans le respect des droits de son auteur, qui a signé le formulaire Autorisation de reproduire et de diffuser un travail de recherche de cycles supérieurs (SDU-522 - Rév.10-2015). Cette autorisation stipule que «conformément à l'article 11 du Règlement no 8 des études de cycles supérieurs, [l'auteur] concède à l'Université du Québec à Montréal une licence non exclusive d'utilisation et de publication de la totalité ou d'une partie importante de [son] travail de recherche pour des fins pédagogiques et non commerciales. Plus précisément, [l'auteur] autorise l'Université du Québec à Montréal à reproduire, diffuser, prêter, distribuer ou vendre des copies de [son] travail de recherche à des fins non commerciales sur quelque support que ce soit, y compris l'Internet. Cette licence et cette autorisation n'entraînent pas une renonciation de [la] part [de l'auteur] à [ses] droits moraux ni à [ses] droits de propriété intellectuelle. Sauf entente contraire, [l'auteur] conserve la liberté de diffuser et de commercialiser ou non ce travail dont [il] possède un exemplaire.»

Je voudrais tout d'abord remercier ma directrice de recherche Julie M. Thériault pour sa disponibilité tout au long de ces 2 années de maitrise. Ses précieux conseils m'ont pennis de mener à bien cette étude et également d'apprendre une méthode de travail efficace. Je la remercie également de m'avoir permis de participer à la mise en place et au déroulement de la campagne de mesure menée au printemps 2015 dans les Rocheuses Canadiennes et de pouvoir ainsi gagner de 1 'expérience sur le terrain, et ce dans une des plus belles régions du Canada.

Je me dois également de remercier mes collègues de bureau qui ont pu m'aider et me conseiller dans les moments de difficulté, notamment Ludovick S.Pelletier, Laurence Coursol, Housseyni Sankaré, Mélissa Cholette, Dominic Matte, Vanessa McFadden, Oumarou Nikiema et Aurélie D. Lapointe.

Enfin, je voudrais remercier du fond du coeur mes parents et ma sœur, lesquels m'ont toujours soutenu pendant ces 6 années passées à Montréal, et sans qui je n'aurais jamais pu vivre cette aventure unique !

AVANT-PROPOS ... vi

LISTE DES FIGURES ... vii

LISTE DES TABLEAUX ... xxi

LISTE DES ACRONYMES ... xxii LISTE DES SYMBOLES ... xx.iii RÉSUMÉ ... xxiv

CHAPITRE I ... 1

PROBLÉMATIQUE ... 1

1.1 Mise en contexte ... 1

1.2 Régions de transition pluie-neige ... 3

1.3 Types de précipitations ... 5

1.3.1 Caractéristiques des types de précipitations ... 5

CHAPITRE II ... 13

APPROCHE SCIENTIFIQUE ... 13

2.1 Campagne de terrain dans la vallée de Kananaskis en Alberta ... 13

2.1.1 Déroulement de la can1pagne de terrain ... 13

2.1.2 Instrumentation ... l5 2.1.3 Observations manuelles ... 16

2.2.1 Détermination du type d'événement météorologique ... 18

2.2.2 Caractérisation des types de précipitations à la smface ... 19

2 .2.3 Etude de la structure verticale de 1 'atmosphère ... 22

CHAPITRE III ... 31

ÉVÉNEMENTS MÉTÉOROLOGIQUES OBSERVÉS DURANT LA CAMPAGNE DE TERRAIN 2015 ... 31

3.1 Analyse de la direction de propagation des précipitations au-dessus de la vallée de Kananaskis ... 31

3.2 Description des événements météorologiques ... 32

3.2.1 Exemples d'événements descendants ........................ 33 3.2.2 Exemples d'événements ascendants ....................................... 35

3.3 Synthèse des caractéristiques des événements ascendants et descendants observés ... 37

CHAPITRE IV ... 4 7 CONDITIONS A LA SURFACE ET TYPES DE PRECIPITATIONS ... 47 4.1 Relation entre la températme, l'humidité relative et le type de précipitations à la smface ... 47

4.2 Diagnostic et caractéristiques des types de précipitations ... 49

4.3 Lien entre les caractéristiques des types de précipitations à la smface et la direction du vent... ... 53

CHAPITRE V ... 71

CONDITIONS ATMOSPHÉRIQUES À KES ... 71 5.1 Evolution temporelle des conditions atmosphériques associées avec les types de précipitations observés à la surface ... 71

5.1.1 Exemples d'événements descendants .................. 71

5.1.2 Exemples d'événements ascendants ................. 75

5.1.3 Constats ... 77

5.2 Statistiques de la structure verticale de 1 'atmosphère indépendamment de la direction du vent... ... 78

5.3 Statistiques de la structure verticale de 1 'atmosphère associées avec les événements descendants et ascendants ........................................ 81

CHAPITRE VI. ... 1 02 DISCUSSIONS ET CONCLUSION ... 102

6.1 Discussions ... 102

6.2 Conclusion ... -... 110

ANNEXE A ... 113

Description des événements météorologiques observés durant la can1pagne de terrain 2015 dans la vallée de Kananaskis ... 113

ANNEXE B ... l35 Systèmes météorologiques synoptiques à 500 hPa ... 135

ANNEXE C ... 141

Comparaison entre Tet HR mesurées par 2 stations météorologiques voisines au site KES ... 141

Ce projet de recherche se place dans un contexte de développement des connaissances dans le domaine de la microphysique des nuages, au sein du groupe de recherche de Julie M. Thériault, et plus précisément dans l'étude des caractéristiques des précipitations hivemales en terrains montagneux.

Les précipitations hivemales, à savoir la neige mais aussi les précipitations en phase mixte et la pluie ont un fort impact sur les activités et les infrastructures humaines. La tempête de verglas de 1998 dans l'est du Canada ainsi que les inondations de Calgary en 2013 sont pam1i les événements météorologiques les plus catastrophiques de l'histoire du Canada, ayant engendré plusieurs milliards de dollars de dommages ainsi que des pertes humaines. De cela vient 1 'intérêt d'étudier les processus microphysiques amenant à la formation des différents types de précipitations, et ce plus particulièrement dans les régions de transition pluie-neige où les observations et les mesures pennettent d'obtenir des informations précieuses sur les caractéristiques des nombreux types de précipitations hivemales et des processus microphysiques associés.

L'analyse en parallèle des données mesurées par les instruments et des données simulées par des modèles numériques est un outil puissant pour valider les résultats obtenus grâce aux paramétrisations choisies pour les simulations mais aussi pour mettre en évidence des mécanismes physiques sous-estimés voire inconnus.

1.1 Carte géographique de la distribution des accumulations de précipitations (mm) à la fin de l'événement de précipitations extrêmes affectant la face orientale des Rocheuses en Alberta, entre le 19 et le 22 Juin 2013. (tirée de Liu et al., 2016) ... 8

1.2 Coupe transversale théorique d'une région de transition pluie-neige illustrant les processus microphysiques se produisant aux alentours et à l'intérieur de la couche de couche. L'axe x et y représentent .respectivement l'étendue horizontale et verticale (km) de la région de

transition pluie-neige (tirée de Stewart, 1992) ... 9

1.3 Diagramme des conditions des environnementales associées à la croissance des cristaux de neige naturels de types variés (tiré de Magono et Lee, 1966) ... 10

1.4 Profils verticaux de température typiques associés (a) à la neige, (b) à la pluie et la neige mêlée et ( c) à la pluie seule, dans des conditions idéalisées. Inspiré d'une étude de Stewart (1985) ... 11

1.5 Diagramme de 1 'humidité relative en fonction de la température à la surface associées aux observations de différents types de précipitations, dont la pluie (rond), les précipitations mixtes (croix et rond) et la neige (croix) (tiré de Matsuo et Sasyo, 1981) ... 12

2.1 Carte topographique de la région de Kananaskis, Albe1ta, et localisation des différents sites de mesure utilisés durant la campagne de terrain 2015. Ces sites sont Nakiska ski station (min: 1479 m -max: 2258 m au-dessus du niveau de la mer), la montagne Fortress (2050 rn altitude au-dessus du niveau de la mer) et le site Kananasksis

Emergency service (KES) situé à 1445 rn au-dessus du niveua de la

2.2 Système de mesure au site principal KES dans la vallée de Kananaskis, Alberta. De gauche à droite : pluviomètre Geonor placé dans un bouclier single Alter, antenne radio/GPS associée au système de radiosondage, OTT Parsivel 2 et Micro Rain Radar 2 ... 25

2.3 Diagran1me schématisant le principe de la mesure d'un disdromètre optique, OTT Parsivel 2, avec les particules qui traversent le faisceau laser infra-rouge (en haut) et le signal correspondant reçu par le capteur (en bas). L'amplitude de la variation du voltage f..U et du temps f..t est proportionnelle à la taille des particules (tiré de Lëffler-Mang et Joss, 2000) ... 26 2.4 Mesures des conditions météorologiques en voiture à l'aide des

stations météo portables Kestrels sur la route de Fortress Mountain ....... 27

2.5 (a,b) Distributions bi modales de taille et de vitesse de chute des particules. ( c,d) Macrophotographies des flocons (Hung, 20 17) aux mêmes instants qu'en a et b, respectivement. Les panels a et c sont associés à 1 'événement du 4-5 avril 2015. Les panels b et d sont associés à l'événement du 11-12 avril 2015. En haut, l'étoile verte matérialise le CFM associé avec le type principal de particules parmi les distributions sur 5-min ... 28 2.6 Séries temporelles des champs de (a) réflectivité équivalente Ze, (b)

des vitesses Doppler W, et (c) de largeur spectrale SW, mesurés par un Micro Rain Radar (MRR2) et associé avec l'événement météorologique du 28 mars 2015 au-dessus du site KES. L'axe y correspond à l'altitude (en m) au-dessus de la surface. Les d01mées brutes ont été traitées avec l'algorithme de Maahn et Kollias (2012). Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface.-···-···-···-···-···-··· 29 3.1 (a, b) Carte de réanalyses à la surface et (c, d) données de sorties des

simulations du modèle GEM-LAM à la surface associés avec (a,c) l'événement du 28 mars 2015 à 2200 UTC et (b,d) avec l'événement du 4-5 avril 2015 à 0300 UTC. Le carré rouge sur les cartes de réanalyses représente approximativement la zone simulée par le modèle numérique ... 39

3.2 Direction du flux de vent au-dessus de KES à différents niveaux d'altitude, détemlinées à partir des simulations du modèle GEM-LAM à 2.5 km de résolution du 2 avril 2015. Les lignes en pointillé et les flèches représentent les périodes associées avec des précipitations observées à la surface ... 40

3.3 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, ( c) de 1 'humidité relative et ( d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de l'événement du 31 mars 2015. L'axe y sur le panel a. correspond à la hauteur (en rn) au-dessus du niveau de la mer. ... 41

3.4 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, (c) de l'humidité relative et (d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de 1 'événement du 18 avril 2015. L'axe y sur le panel a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer. ... 42

3.5 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, (c) de l'humidité relative et (d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de l'événement du 4-5 avril 2015. L'axe y sur le panel a. correspond à la hauteur (en rn) au-dessus du niveau de la mer. ... 43

3.6 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, ( c) de l'humidité relative et ( d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de l'événement du 25-26 avril 2015. L'axe y sur le panel a. correspond à la hauteur (en rn) au-dessus du niveau de la mer. ... 44

4.1 Diagramme camembert du ratio (%) des types de précipitations observés à la surface pour tous les événements indépendamment de la direction du vent. Légende des couleurs : neige (gris), précipitations mixtes (rouge) et la pluie (vert) ... 56

4.2 Diagrammes camembert du ratio (%) des types de précipitations observés avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013) associés aux événements (a) descendants et (b) ascendants. Légende des couleurs: neige (gris), précipitations mixtes (rouge) et la pluie (vert) ... 57

4.3 Le lien entre 1 'humidité relative, la température et le type de précipitations à la surface associé avec tous les événements sur lesquels les observations manuelles du type de précipitations ont été superposées. Les courbes en noir sont les humidités relatives et températures critiques pour la neige et la pluie. Les couleurs vertes, rouges et grises représentent, respectivement, la pluie, les précipitations mixtes et la neige ... 58

4.4 Le lien entre 1 'hw11idité relative, la température et le type de précipitations à la surface associé aux événements (a) descendants et (b) ascendants sur lesquels les observations manuelles du type de précipitations ont été superposées. Les courbes en noir sont les hwnidités relatives et températures critiqùes pour la neige et la pluie. Les couleurs vertes, rouges et grises représentent, respectivement, la pluie, les précipitations mixtes et la neige ... 59

4.5 Comparaison des conditions à la surface associées avec tous les événements indépendamment de la direction du vent (global) et pour les événements descendants et ascendants. (a) diamètre des particules (mm), (b) vitesse de chute des particules (m/s), (c) température de l'air (0C) et (d) humidité relative (%) à la surface. La ligne rouge est la médiane, la boite bleue représente les 25ème (Q1) et 75ème (Q3) percentiles et les lignes noires délimitent les valeurs se trouvant dans l'intervalle [(QI - 1.5*(Q3-Ql)), (Q3+1.5*(Q3-Ql)]. ... 60

4.6 Nombre d'échantillons utilisés pour le calcul des CFM, en fonction du nombre de particules détectées sur 5 min par le disdromètre optique. (a) Nombre total d'échantillons utilisés avec chaque bin correspondant à 50 particules et (b) nombres d'échantillons utilisés associés aux distributions possédant 1 à 100 particules avec chaque bin correspondant à 10 particules ... 61

4.7 Diagran1me camembert du ratio (%) des types de particules diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et aJ. (2013) pour tous les événements indépendamment de la direction du vent. Légende des

couleurs : pluie (vert), neige roulée (rouge), agrégats fortement givrés (cyan), agrégats givrés (jaune), neige sèche (violet), dendrites (gris) ... 62

4.8 Le lien entre J'humidité relative, la température et le type de précipitations à la surface associé à tous les événements observés sur lesquels les types de précipitations diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (20 13) ont été superposés. Les courbes en noir sont les humidités relatives et températures critiques pour la neige et la pluie ... 63

4.9 Fraction des types de précipitations diagnostiqués selon le nombre et le diamètre des CFM calculés avec la méthode d'Ishizaka et al. (20 13 ), pour tous les événements indépendamment de la direction du vent. ... 64

4.10 Caractéristiques des types de particules diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013) pour tous les évènements indépendamment de la direction du vent, notamment (a) le diamètre des particules, (b) la vitesse de chute des particules ainsi que (c) la température de l'air CCC) et (d) l'humidité relative (%) à la surface. La ligne rouge est la médiane, la boite bleue représente les 25ème (Q 1) et 75ème (Q3) percentiles et les lignes noires délimitent les valeurs se trouvant dans l'intervalle [(QI -1.5*(Q3-Ql)), (Q3+1.5*(Q3-QI)] ... 65

4.11 Diagrammes camembert du ratio (%) des types de particules diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013) associés aux événements (a) descendants et (b) ascendants ...... 66

4.12 Lien entre 1 'humidité relative, la température et le type de précipitations à la surface associé avec les événements (a) descendants et (b) ascendants sur lesquels les types de précipitations diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (20 13) ont été superposés. Les courbes en noir sont les humidités relatives et températures critiques pour la neige et la pluie ... 67

4.13 Fraction des types de précipitations diagnostiqués selon le nombre et le dian1ètre des CFM calculés avec la méthode d 'Ishizaka et al. (20 13) dépendamment du type d'événement, (a) ascendant et (b) descendant ...... 68

4.14 Conditions à la surface associees avec les types de particules diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013) pour les événements descendants (rouge) et ascendants (bleu), notamment (a)

le diamètre des particules (mm), (b) la vitesse de chute des particules

(m/s), (c) la température de l'air à la surface (°C) et (d) humidité relative (%). De gauche à droite : pluie, neige roulée, agrégats fortement givrés, agrégats givrés, neige sèche et dendrites. La ligne

rouge est la médiane, la boite bleue représente les 25ème (Ql) et

75ème (Q3) percentiles et les lignes noires délimitent les valeurs se

trouvant dans l'intervalle [(Q l - 1.5*(Q3-Q l )), (Q3+ 1.5*(Q3-Q 1 )]. ... 69 5.1 Séries temporelles de profils verticaux de : (a) réflectivité équivalente

(Ze [dBZ]), (b) vitesse doppler (W [m/s]) et (c) largeur spectrale (SW [ m/s]) associés avec ( d) les observations manuelles du type de précipitations et (e) les types de précipitations diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013) lors de l'événement descendant du 31 mars 2015. L'axe y sur les figures a, b etc correspond à la hauteur (en rn) au-dessus de la surface. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 86

5.2 Profils verticaux de T (rouge) et Td (vert) provenant de radiosondages

effectués lors de 1 'événement descendant du 31 mars 2015 à (a) 2000 UTC et (b) 2300 UTC. La courbe en noir représente le profil vertical

de température associé à l'environnement La région en rouge pâle représente les couches de l'atmosphère associées avec une instabilité

thermique de 1 'air. ... 87

5.3 Séries temporelles de profils verticaux de : (a) réflectivité équivalente (Ze [ dBZ]), (b) vitesse doppler (W [ m/s]) et ( c) largeur spectrale (SW

[ m/s]) associés avec ( d) les observations manuelles du type de précipitations et ( e) les types de précipitations diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013) lors de l'événement descendant du 18 avril 2015. L'axe y sur les figures a, b etc correspond à l'altitude

(en rn) au-dessus de la surface. Les signaux radar au niveau du sol ne

sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 88 5.4 Profils verticaux de T (rouge) et Td (vert) provenant de radiosondages

effectués lors de l'événement descendant du 18 avril 2015 à (a) 0500 UTC, (b) 0800 UTC, ( c) 1 1 00 UTC et ( d) 2000 UTC. La courbe en noir représente le profil vertical de température associé à

l'environnement. La région en rouge pâle représente les couches de l'atmosphère associées avec une instabilité thennique de 1 'air. ... 89 5.5 Séries temporelles de profils ve1ticaux de : (a) réflectivité équivalente

(Ze [dBZe]), (b) vitesse doppler (W [mis]) et (c) largeur spectrale (SW [m/s]) associés avec (d) les observations manuelles du type de précipitations et ( e) les types de précipitations diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013) lors de l'événement ascendant du 4-5 avril2015. L'axe y sur les figures a, b etc correspond à l'altitude (en rn) au-dessus de la surface. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 90

5.6 Profils verticaux de T (rouge) et Td (vert) provenant de radiosondages effectués lors de l'événement ascendant du 4-5 avril 2015 à (a) 2000 UTC et (b) 2300 UTC. La courbe en noir représente le profil vertical de température associé à l'environnement. La région colorée en rouge pâle représente les couches de l'atmosphère associées avec une instabilité thermique de l'air ... : ... 91 5.7 Séries temporelles de profils verticaux de : (a) réflectivité équivalente

(Ze [dBZ]), (b) vitesse doppler (W [m/s]) et (c) largeur spectrale (SW [m/s]) associés avec (d) les observations manuelles du type de précipitations et (e) les types de précipitations diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013) lors de l'événement ascendant du 25-26 avril 2015. L'axe y sur les figures a, b etc correspond à l'altitude (en rn) au-dessus de la surface. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 92

5.8 Profils verticaux de T (rouge) et Td (vert) provenant de radiosondages effectués lors de l'événement ascendant du 25-26 avril 2015 à (a) 2300 UTC le 25 avril 2015 et à (b) 0200 UTC le 26 avril 2015. La courbe en noir représente le profil vertical de T associé à l'environnement. La région en rouge pâle représente les couches de 1 'atmosphère associées avec une instabilité thermique de 1 'air. ... 93

5.9 Médianes et écarts-interquartiles des (a) champs de réflectivité équivalente Ze, (b) vitesse doppler W et (c) de largeur spectrale SW associés avec tous les événements indépendamment de la direction du vent au-dessus de KES. L'axe y correspond à la hauteur (en m) au-dessus de la surface. La ligne épaisse correspond à la valeur médiane

tandis que les lignes fines à gauche et à droite de la médiane correspondent aux 25ème et 75ème percentiles respectivement. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 94

5.10 Fréquence d'occurrence(%) de (a) Ze > 6 dBZe, (b) de W < 0 m/s et (c) de largeur spectrale SW > 1 m/s (c) associés avec tous les événements indépendamment de la direction du vent au-dessus de KES. L'axe y correspond à la hauteur (en rn) au-dessus de la surface. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 95

5.11 Médianes et écarts-interquartiles des (a à f) champs de réflectivité équivalente Ze, (g à 1) vitesse doppler W et (rn à r) de largeur spectrale SW associés avec les types de précipitations diagnostiqués avec la méthode d 'Ishizaka et al. (20 13 ), indépendamment de la direction du vent au-dessus de KES. L'axe y correspond à l'altitude (en rn) au-dessus de la swface. La ligne épaisse correspond à la valeur médiane tandis que les lignes fmes à gauche et à droite de la médiane correspondent aux 25ème et 75ème percentiles respectivement. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 96

5.12 Fréquence d'occurrence (%) de (a) Ze > 6 dBZe, (b) de W < 0 m/s et (c) de largeur spectrale SW > 1 m/s associés avec les types de précipitations diagnostiqués avec la méthode d' Ishizaka et aL (20 13) pour tous les évènements indépendamment de la direction du vent au-dessus de KES. L'axe y correspond à l'altitude (en m) au-dessus de la surface. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 97

5.13 Médianes et écarts-interquartiles des (a) champs de réflectivité équivalente Ze, (b) vitesse doppler W et ( c) de largeur spectrale SW associés avec les événements descendants (rouge) et ascendants (bleu). L'axe y correspond à l'altitude (en rn) au-dessus de la surface. Les lignes épaisses correspondent aux médianes des valeurs tandis que les bords extérieures à gauche et à droite de la médiane correspondent aux 25ème et 75ème quartiles respectivement. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 98

5.14 Fréquence d'occurrence(%) de (a) Ze > 6 dBZ, (b) de W < 0 m/s et (c) de largeur spectrale SW > 1 m/s associés avec événements descendants (rouge) et ascendants (bleu). L'axe y correspond à l'altitude (en m) au-dessus de la surface. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 99

5.15 Médianes et écarts-interquartiles des (a à e) champs de réflectivité équivalente Ze, (f à j) vitesse doppler W et (k à o) de largeur spectrale SW associés avec les événements descendants (rouge) et ascendants (bleu) pour chaque type de précipitations diagnostiqué avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013). L'axe y correspond à l'altitude (en m) au-dessus de la surface. Les lignes épaisses correspondent aux médianes des valeurs tandis que les bords extérieures à gauche et à droite de la médiane correspondent aux 25ème et 75ème percentiles respectivement. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 100

5.16 Fréquence d'occurrence (%) de Ze > 6 dBZ, de W < 0 mis et de largeur spectrale SW > 1 m/s associés avec les types de précipitations diagnostiqués avec la méthode d'Ishizaka et al. (2013) pour les événements (a, b, c) descendants et (d,e,f) ascendants. L'axe y correspond à l'altitude (en m) au-dessus de la surface. Les signaux radar au niveau du sol ne sont pas utilisés afin d'éliminer le bruit induit par la surface ... 101

Al Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, ( c) de l'humidité relative et ( d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de 1 'événement du 21 mars 2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en rn) au-dessus du niveau de la mer.. ... 123

A.2 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface (c) de l'humidité relative et (d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de 1 'événement du 23 mars 2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en rn) au-dessus du niveau de la mer.. ... 124

A.3 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, ( c) de l'humidité relative et ( d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de 1 'événement du 28 mars 2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer.. ... 125

AA Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, (c) de l'humidité relative et (d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de l'événement du 2 avril 2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer.. ... 126

A.5 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, (c) de l'humidité relative et (d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de l'événement du 5 avril 2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer.. ... 127

A.6 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, (c) de l'humidité relative et (d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de 1 'événement du 11-12 avril 2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer. ... 128

A7 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, (c) de l'hwnidité relative et (d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de l'événement du 12 avril 2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer.. ... 129

A.8 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, ( c) de 1 'humidité relative et ( d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de 1 'événement du 14

avril 2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer.. ... 130

A.9 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, (c) de l'humidité relative et (d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de l'événement du 17 avril2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en rn) au-dessus du niveau de la mer. ... 131

A. 10 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, ( c) de 1 'humidité relative et ( d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de 1 'événement du 22 avril 2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer ... 132

A.ll Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, ( c) de l'humidité relative et ( d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de l'événement du 24 avril2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer ... 133

A.l2 Séries temporelles (a) des profils verticaux du vent et de température simulés par le modèle GEM-LAM, (b) de la température de l'air mesurée à la surface, ( c) de l'humidité relative et ( d) des types de précipitations observés à la surface à KES lors de 1 'événement du 29 avril2015. L'axe y sur la figure a. correspond à la hauteur (en m) au-dessus du niveau de la mer. ... 134

B.l Carte de réanalyses des hauteurs (m) du géopotentiel à 500 hPa le 31 mars 2015 à 1800 UTC sur 1 'ouest du continent nord-américain. L'étoile rouge correspond approximativement à la localisation de la vallée de Kananaskis (Alberta) ... 137

B.2 Carte de réanalyse des hauteurs (m) du géopotentiel à 500 hPa le 26 avril 2015 à 0000 UTC sur 1 'ouest du continent nord-américain. L'étoile rouge correspond approximativement à la localisation de la vallée de Kananaskis (Alberta) ... 138

B.3 Carte de réanalyse des hauteurs (m) du géopotentiel à 500 hPa le 26 avril 2015 à 0000 UTC sur l'ouest du continent nord-américain. L'étoile rouge correspond approximativement à la localisation de la vallée de Kananaskis (Alberta) ... 139

B.4 Cartes de réanalyse des hauteurs (m) du géopotentiel à 500 hPa le 18 avril2015 à (a) 0600 UTC, (b) 1200 UTC et (c) 1800 UTC sur l'ouest du continent nord-américain. L'étoile rouge correspond approximativement à la localisation de la vallée de Kananaskis (Alberta) ... 140

C.l Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'humidité relative, HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de mesure (ligne pleine) et les données de la station météo permanente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement descendant du 28 mars 2015 ... 142

C.2 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'hwnidité relative, HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de mesure (ligne pleine) et les données de la station météo permanente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement descendant du 31 mars 2015 ... 143

C.3 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'humidité relative, HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de mesure (ligne pleine) et les données de la station météo pennanente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement ascendant du 2 avril 2015 ... 144

C.4 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'humidité relative, HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de mesure (ligne pleine) et les données de la station météo permanente à KES (ligne tiretée ), au cours de 1 'événement ascendant du 4-5 av ri 1 2015 ... 145

C.5 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) 1 'humidité relative, HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de mesure (ligne pleine) et les données de la station météo permanente à

KES (ligne tiretée), au cours de l'événement ascendant du 5 avril 2015 ... 146

C.6 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'humidité relative,

HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de mesure (ligne pleine) et les données de la station météo permanente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement descendant du 11-12

avril2015 ... 147

C.7 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'humidité relative,

HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de

mesure (ligne pleine) et les données de la station météo pennanente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement descendant du 12 avril 2015 ... 148

C.8 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'humidité relative,

HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de mesure (ligne pleine) et les données de la station météo permanente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement descendant du 14-15

avril 2015 ... 149

C.9 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'humidité relative,

HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de mesure (ligne pleine) et les données de la station météo permanente à

KES (ligne tiretée ), au cours de 1 'événement descendant du 18 avril

2015 ... 150

C.1 0 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'humidité relative,

HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de mesure (ligne pleine) et les données de la station météo permanente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement descendant du 22 avril 2015 ... 151

C.11 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'hwnidité relative,

HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de

mesure (ligne pleine) et les données de la station météo pem1anente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement descendant du 24-25 avril2015 ... 152

C.l2 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) l'humidité relative,

HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de

mesure (ligne pleine) et les données de la station météo permanente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement ascendant du 25-26 avril

2015 ... 153

C.13 Comparaison entre (a) la température, T, et (b) 1 'humidité relative,

HR, mesurées par la station météo utilisée pour la campagne de

mesure (ligne pleine) et les données de la station météo pe1manente à KES (ligne tiretée), au cours de l'événement descendant du 29 avril 2015 ... 154

Tableau Page

2.1 Relations empiriques des vitesses de chute vT (m/s) et de la masse rn (mg) des particules en fonction du diamètre D (mm) associées avec 6

types de particules diagnostiqués : pluie, neige roulée, agrégats

fortement givrés, agrégats givrés, neige sèche et dendrites ... 30

3.1 Liste des événements météorologiques observés durant la campagne

de terrain 2015 dans la vallée de Kananaskis. ./signifie que les

données sont disponibles. X signifie que les données ne sont pas disponibles. Les événements colorés en gris n'ont pas été analysés dans cette étude. ···'· ... 45

4.1 Nombre d'échantillons utilisés pour chaque type de précipitations diagnostiqué, dépendamment du type d'événement, descendant et ascendant, ainsi que pour tous les événements observés durant la campagne de terrain ... 70

CFM GEM-LAM KES LWC MRR2 NCEP PARSIVEL UTC

Centre du Flux de Masse

Global Environmental Multiscale -Limited Area Mode! Kananaskis Emergency Services

Liquid Water Content Micro Rain Radar 2

National Centers for Environmental Prediction

Particle Size Velocity Coordinated Universal Time

D Diamètre des particules

f

HR Humidité relative

m masse d'une particule

p Pression atmosphérique

~ vecteur position T

sw

T Température de l'air

Td Température du point de rosée

u Composante est-ouest du vent

v Composante nord-sud du vent

VT Vitesse de chute d'une particule

w

Ze Réflectivité équivalente

Le type de précipitations peut affecter le couvert de neige en terrain montagneux ainsi que la réponse hydrologique des cours d'eaux. Par exemple, les inondations catastrophiques en juin 2013 dans la région de Calgary ont été engendrées par des accumulations de pluie supérieures à 300 mm. Cet événement de précipitations extrêmes a produit principalement de pluie à la surface mais de la neige a été observé

à plus hautes altitudes vers la fin de l'événement. Dans cette région, les précipitations

sont généralement associées avec un système de basse pression situé au sud-est de l'Alberta lequel engendre un écoulement de l'air ascendant sur la face est des Rocheuses. L'objectif de cette étude est d'étudier les caractéristiques des types de précipitations hivernales ainsi que les conditions atmosphériques en altitude et à la surface sur la face est des Rocheuses de l'Alberta. Pour aborder cela, les données collectées durant un projet sur le terrain au cours du printemps 2015 dans les environs de Kananaslcis (Alberta) ont été utilisées. En premier lieu, chaque événement météorologique ont été classifié en se basant sur la direction du vent au-dessus de cette région. L'analyse a montré que les types de précipitations observés à la surface dépendent de la direction de l'écoulement de 1 'air. Par la suite, plusieurs types de précipitations ont été diagnostiqués en calculant le centre de flux de masse des particules à 1 'aide d'un disdromètre optique et ont été corrélés avec la température de surface, l'humidité relative ainsi que les observations manuelles. Par exemple, la neige a été observée à la surface à des températures supérieures à 8°C et une humidité relative inférieure à 50%. Une analyse détaillée des conditions atmosphériques mesurées par un Micro Rain Radar (MRR2) et par des radiosondages, ainsi que des données obtenues par des simulations numériques menées avec le modèle Global Environmental Multiscale (GEM) a été reliée au type de précipitations atteignant la surface, et ce dépendanunent de la direction de l'écoulement de 1 'air. Les résultats mettent en évidence le rôle important de la sublimation et de l'accrétion sur l'occurrence de précipitations à la surface, dépendamment de la direction du vent au-dessus de la vallée. En général, cette étude contribue à mieux comprendre les processus le lien entre les conditions atmosphériques et les types de précipitation observés à la surface en terrain montagneux.

MOTS-CLÉS : précipitations hivernales, transition pluie-neige, can1pagne de mesure, terrain montagneux, vallée, disdromètre optique, données radar, processus microphysiques.

PROBLÉMATIQUE

1.1 Mise en contexte

Les ressources en eau sont très sensibles aux conditions atmosphériques sur différentes échelles, en particulier dans les déserts ou les régions semi-arides. Par exemple, les Prairies Canadiennes possèdent un climat relativement sec et froid, selon la classification des climats de Koppen (Peel et al., 2007), avec une pluviométrie moyenne atmuelle de 454 mm de précipitations sous forme de pluie ou de neige

(McGinn et Shepherd, 2003). A titre de comparaison, la pluviométrie annuelle

moyenne à Montréal, Québec, est d'environ 1000 mm selon les données climatiques

d'Environnement Canada sur la période 1981-2010. Cependant, la distribution

annuelle des précipitations à travers ces prairies vru·ie grandement, de 300 à 350 mm dans la moyenne basse, allant jusqu'à 500 à 550 mm pour la moyenne haute (Phillips, 1990). La variabilité de la pluviométrie annuelle dat1s cette région du Canada peut se traduire par des séries de périodes de sécheresse, mais aussi des événements de précipitations extrêmes et de nombreuses études ont porté sur ces phénomènes météorologiques et leurs caractéristiques. Par exemple, les sécheresses de 1999-2005 et de 2009 sur les Prairies Canadiennes (Stewart et al., 2012) ainsi que les inondations de juin 2002 (Szeto et al., 2011 ), de juin 2005 (Flesh et al., 20 12) et de juin 2013 en Alberta (Milrad et al., 2015, Liu et al., 2016, Kochtubadja et al., 2016) sont parmi les événements les plus documentés.

Les inondations catastrophiques de juin 2013 en Alberta, qui ont fortement affecté la région de Calgary, ont été associées avec un événement de précipitations extrêmes sur le piémont des Rocheuses Canadiennes. En effet, la face orientale de ce massif montagneux est régulièrement affectée par des épisodes de précipitations persistantes,

causées par la présence d'un système de basse pression localisé au Sud-Est de la province de l'Alberta. Cette dépression atmosphérique a pour effet d'engendrer un écoulement de l'air de l'est, chargé en humidité provenant des plaines américaines plus au sud, en direction des Rocheuses canadiennes. En arrivant près du relief, l'écoulement de l'air va être soulevé par la topographie, ce qui va entraîner le refroidissement adiabatique de 1 'air et provoquer la condensation de la vapeur d'eau pour fonner les nuages et les précipitations associées. En temps nonnal, ces précipitations vont se dissiper quelques heures après leur apparition, avec le comblement ou l'éloignement de la dépression de surface. Cependant des conditions atmosphériques particulières peuvent amener à des situations de blocage des centres d'actions et le maintien des précipitations pendant plusieurs jours, comme ce fut le cas lors des inondations de juin 2013. En effet, les précipitations intenses se sont maintenues durant 3 jours au-dessus des mêmes régions. La distribution des cumuls de précipitations à la fin de l'événement ayant affecté la région (figure 1.1) montre des accumulations supérieures à 300 mm dans les montagnes, à 1 'origine de la gravité des inondations.

Mais les conséquences auraient pu être pires si une transition pluie-neige ne s'était pas produite à plus hautes altitudes vers la fin de l'événement (Pomeroy et al., 2016). En effet, les précipitations sous forme de pluie vont ruisseler à la surface avant de se

déverser dans les cours d'eaux dans un laps de temps très court. A l'inverse, les

précipitations solides vont s'accumuler à la surface sous la forme d'une couche de neige, retenant l'eau liquide en son sein et empêchant son ruissellement rapide. Cela a pour effet de limiter la réponse hydrologique des cours d'eaux en aval des montagnes.

Ce phénomène montre l'intérêt d'étudier les caractéristiques des régions de transition pluie-neige, en particulier en terrain montagneux.

1.2 Régions de transition pluie-neige

Selon Stewart (1992), la zone de transition pluie-neige est une région ayant une étendue horizontale allant de 1 km à plus de 100 km. Cette région est très souvent associée avec le front chaud des dépressions synoptiques à la surface. En effet, un front chaud est une limite entre 2 masses d'air : une masse d'air chaude qui se déplace en direction d'une masse d'air plus froide. Cette masse d'air chaud va être soulevée du fait de sa moins grande densité au-dessus de l'air froid, et va entraîner la fonte des particules solides en provenance des altitudes plus élevées où elles sont produites. Cependant il est possible d'observer des régions de transition pluie-neige dans d'autres conditions environnementales. Par exemple, les transitions pluie-neige peuvent souvent être observées en terrain complexe (ex: Marwitz, 1983; Minder et aL 2011; Tbériault et aL, 20 12; Harder et Pomeroy, 2013 ), du fait notamment des différences de température entre les basses altitude (vallées) et les hautes altitudes (crêtes et sommets montagneux). Dans l'est des Etats-Unis par exemple, il est commun d'associer de l'air froid dans les basses èouches sur le versant des Appalaches non-exposé au vent et de l'air doux au-dessus, avec la zone de transition.

La situation opposée peut se produire. Par exemple, des terrains pentus ou montagneux peuvent amener à une région de transition caractérisée par des conditions froides, associées à des températures négatives (T < 0°C), à des altitudes plus élevées,

et T> 0°C dans les plus basses altitudes (Stewart 1991). Lumb (1983) a remarqué que l'ascension de l'air par-dessus des obstacles serait associée avec un refroidissement adiabatique qui pourrait renforcer le contraste de température.

Les caractéristiques des régions de transition pluie-neige peuvent être également influencées par des mécanismes tbennodynamiques à travers la rétroaction de la fonte des précipitations solides sur la température (ex: Stewart et al. 1984; Marwitz, 1987; Min der et aL, 2011 ). En effet, la fonte des précipitations solides entraîne un refroidissement diabatique de l'air, ce qui modifie le profil vertical de température. Les processus microphysiques près de la couche de fonte ont aussi été analysés en utilisant les mesures aéroportées (Stewart et aL, 1984 ; Stewart, 1992). La figure 1.2 présente une coupe transversale théorique d'une région de transition pluie-neige, illustrant les processus microphysiques se produisant aux alentours et à 1 'intérieur de la couche de fonte. Les processus de croissance par diffusion et agrégation des cristaux de glace se produisent notamment au-dessus de la couche de fonte lorsque T ~ 0°C. De plus, on observe la présence d'une «bande brillante» associée à la couche de fonte. En effet lorsqu'un flocon de neige tombe dans la couche de fonte, il va fondre partiellement se recouvrant alors d'une pellicule d'eau liquide mais sa taille et vitesse de chute ne vont pas beaucoup évoluer. Nous avons alors les trois facteurs favorisant une plus grande réflectivité d'un objet qui varie avec le carré de la valeur de sa constante diélectrique. Comme 1 'eau à une constante diélectrique beaucoup plus élevée que celle de la glace, et que le diamètre et la vitesse de chute des particules restent quasiment inchangés, on aura la fonnation d'une bande associée à des valeurs de réflectivité très élevées, correspondant à la signature de la couche de fonte.

A partir de cette constatation, des radars ont été utilisés pour détecter les couches de fonte et étudier leurs propriétés (Marshall et al., 1947, Wexler, 1955 ; Battan, 1973 ; Atlas et Ulbrich 1977, Fabry et Zawadzki, 1994). Par exemple en terrain complexe, Steiner et aL (2003) ont observé un changement dans la direction du vent dans des vallées des Alpes européennes, à l'intérieur d'une couche de fonte, en combinant les données de radars mobiles à la surface, de radars aéroportés et de radars pointant verticalement. Ceci a également été observé dans la région de Whistler, Colombie-Britannique (Thériault et aL, 20 12) et démontré à travers des simulations numériques

sous des conditions idéalisées, en particulier dans une atmosphère saturée (Thér1ault et al., 2015). D'un autre côté, des simulations numériques au-dessus des Alpes en Europe ont suggéré que l'impact de l'évaporation sur la direction du vent dans la vallée est plus important que celui associé à la fonte (Zangl, 2007). En combinant les dmmées d'un radar polarimétrique et de simulations numériques, Andric et aL (20 13) ont discuté des processus de croissance de la neige au-dessus de la couche de fonte. Cette étude a révélé que plusieurs processus microphysiques non implémentés dans le modèle, corrune le givrage ou la production de glace secondaire, sont importants dans la production de la signature radar pour correspondre avec les mesures. Ceci pointe l'intérêt d'enquêter sur les caractéristiques des précipitations hivemales, comme la pluie, les précipitations en phase mixte ou la neige, plus particulièrement dans les régions de transition.

1.3 Types de précipitations

1.3.1 Caractéristiques des types de précipitations

Les types de précipitations atteignant la surface peuvent exister sous différents états de l'eau (ou phases de l'eau): solide, liquide et une combinaison de solide et liquide (Glickman 2000; Thériault et al. 2006; Thériault et Stewart 2007). Thériault et Stewart (2010) ont défini plusieurs types de précipitation comme suit :

• Pluie: Précipitations de gouttes d'eau liquide dont le diamètre est supérieur à 0.5 mm.

• Pluie verglaçante ou verglas : Pluie qui tombe sous forme liquide à T < 0 °C (surfusion), et gèle au contact avec la surface ou tout autre objet.

• Neige : Précipitations composées de cristaux de glace blanche ou translucide principalement en forme de branches hexagonales complexes et souvent agglomérés en flocons de neige.

• Grésil : Un type de précipitations constituées de cristaux transparents ou translucides de 5 mm de diamètre ou moins, généralement sphériques.

• Graupel/Neige roulée : Un type de précipitations constitué de cristaux de neige recouverts d'une couche de givre, de forme sphérique ou conique, ayant w1 diamètre a1lant jusqu'à 5 mm. Ce type de précipitations se forme par accrétion des gouttelettes d'eaux surfondues sur les cristaux de glace.

• Neige mouillée: Neige contenant une grande quantité d'eau où il est encore possible de distinguer la fonne du cristal.

• Neige presque complètement fondue : Neige en phase mixte (liquide et solide) dans lequel la forme initiale du flocon de neige n'est pas discernable.

Des observations des types de précipitations solides à la surface sont essentielles pour obtenir une classification précise des différentes sortes de cristaux de glace qui composent la neige. Il est connu depuis de nombreuses décennies que les cristaux de glace peuvent avoir des formes variées et croître dans des conditions environnementales différentes (ex : Nakaya, 1954, Kobayashi, 1961, Magono and Lee, 1966; Brandes et al., 2007; Garrett et al., 2012). En particulier, ces études ont montré que la forme et la géométrie d'un cristal de glace dépend fortement de la température et de l'humidité relative dans le nuage. La figure 1.3 présente sur un diagramme les conditions de température et d'hwnidité associées à la croissance des cristaux de neige naturels de types variés. On peut notamment remarquer que plus l'air est saturé (humidité relative supérieure à 100%), plus les cristaux de glace seront givrés. Cela est dû à la plus forte concentration en gouttelettes d'eau, qui seront accrétées par les cristaux de glace tombant dans la couche saturée. Les différentes

formes et densités des flocons peuvent faire varier grandement leurs vitesses de chute (Locatelli et Hobbs, 1974; Rasmussen et al., 1999).

Yuter et al. (2006) ont discuté des caractéristiques physiques des précipitations, notamment de la taille et des vitesses de chute de la pluie, des précipitations mixtes et de la neige en utilisant une méthode basée sur des mesures collectées par un disdromètre optique (OTT Parsivel). Les résultats ont suggéré que la vitesse de chute de la neige mouillée a un grand écart-type à cause de la coexistence des particules de taille similaire et des différents pourcentages de fonte (fraction liquide des particules). Ishizaka et al. (20 13) ont analysé le degré de givrage des particules de neige à leur surface en utilisant les distributions bimodales de taille et de vitesse de chute des particules, en particulier en déterminant Je type principal de flocons à J'intérieur de ces distributions par rapport à des relations théoriques de vitesse de chute des particules. Ils ont montré que l'analyse des centres du flux de masse de ces distributions de particules permet de déterminer clairement le type principal de particules. Selon Garrett et al. (20 12) la plupart des flocons tombent à une vitesse de 1 m/s sans tenir compte du type de neige. Cette vitesse peut varier suivant différents événements météorologiques, en particulier J'évolution des conditions atmosphériques associées aux déplacement des tempêtes hivernales (Stark et al., 2013 ; Garrett et al., 20 15).

Alberta Envlronment and Sustalnable Resource Development Precipitation Map ' Contout 1 erv 25 mm :125 300

0

0

..

'

..

_.

.

_.

Figure 1.1 Carte géographique de la distribution des accumulations de précipitations (mm) à la fin de l'événement de précipitations extrêmes affectant la face orientale des Rocheuses en Alberta, entre le 19 et le 22 Juin 2013. (tirée de Liu et al., 2016)

-

-

w

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

_\

\

1

\

\

\

SNOW

HORIZONTAL POSITION (km)

Figure 1.2 Coupe transversale théorique d'une région de transitton pluie-neige illustrant les processus microphysiques se produisant aux alentours et à l'intérieur de la couche de couche. L'axe x et y représentent respectivement l'étendue horizontale et verticale (km) de la région de transition pluie-neige (tirée de Stewart, 1992)

z 0 <5 UJ Il<: .... UJ ...J 0.. 0 Il<: 0 GRAUPEl 0 - - WATER SATURATION IIEARLY EOUILI!IRIUN RfGION

ICE SATURI<TION - --L- - -....L.- - - . . . 1 . . . . -_ _ ..L,_ _ _ _ !.._ _ _ ICE SATUR4TION

0 -5 -10 - 15 -20 -25 -30 -35 -40 (•C 1

TEMPERATURE

Figure 1.3 Diagramme des conditions des environnementales associées à la crOissance des cristaux de neige naturels de types variés (tiré de Magono et Lee,

a. Neige Height (km) 3 2 0 Temperature (0_C) b. Pluie/Neige Height (km) 3 Temperature (0_C) c. Pluie Height (km) Temperature (0_C)

Figure 1.4 Profils verticaux de température typiques associés (a) à la neige, (b) à la pluie et la neige mêlée et (c) à la pluie seule, dans des conditions idéalisées. Inspiré d'une étude de Stewart ( 1985).

- x ·~ ·0 ~ - .JC.,. S.l4(JI!I, SLEE T, RA 1 N 0 OCï0DCR-.~Wr', 19 3-1 78 N 1 KKO .... 1(

...

.

..

.

·o

Figure 1.5 Diagramme de 1 'humidité relative en fonction de la température à la surface associées aux observations de différents types de précipitations, dont la pluie (rond), les précipitations mixtes (croix et rond) et la neige (croix) (tiré de Matsuo et Sasyo, 1981 ).

APPROCHE SCIENTIFIQUE

2.1 Campagne de terrain dans la vallée de Kananaskis en Alberta

2. 1 .1 Déroulement de la campagne de terrain

Une campagne de terrain a été menée sur la face orientale des Rocheuses de

1' Alberta, plus particulièrement dans la vallée de Kananaskis, du 15 mars au 30 avril

201 5. Cette période de 1 'année, correspondant à la fm de l'hiver et au début du

printemps, est associée avec l'apparition des tempêtes de neige printanières, apportant

des quantités de neige parfois très importantes (Stewart et aL, 1 995), mais également

un cocktail de précipitations lorsque la température est proche de 0°C. En effet, les

mois d'hiver (décembre, janvier, février) sont généralement beaucoup plus froids et

secs, ce qui n'est pas l'idéal pour étudier tous les types de précipitations, notamment

les précipitations mixtes et la pluie. La vallée de Kananaskis, orientée Nord-Sud, se

situe à environ 80 km à l'ouest de Calgary, ou encore à 50 km à l'est de Banff,

Alberta. Cette vallée est entourée à l'ouest de sommets atteignant plus de 3000 m

d'altitude (Kananaskis Range), et à l'est par des sommets n'excédant pas 2700 m

(Fisher Range). Les dimensions de cette vallée sont d'environ 20 km en longueur, 3

km en largeur et 1 km de profondeur. En outre, cette région a été choisie parce qu'elle

précipitations extrêmes de Juin 2013. Par exemple, près de 2 ans plus tard, les dégâts causés par les inondations étaient toujours visibles, notamment sur la végétation. L'objectif de cette campagne de terrain était de mieux documenter et comprendre les caractéristiques des précipitations et les conditions atmosphériques lors des tempêtes associées, sur la face orientale des Rocheuses canadiennes.

Durant le projet, les observations ont été collectées sur 3 sites (figure 2.1) dans cette région :

• Le site du « Kananaskis Emergency Services », abrégé KES, était le site de mesure principal dans la vallée de Kananaskis. Situé géographiquement à 50.92°N et 115.12°W, le site se trouve au fond de la vallée, à une altitude de 1445 m au-dessus du niveau de la mer. La plupart des instruments ont été déployés sur ce site et des données ont été collectées manuellement pour étudier les conditions météorologiques.

• La station de ski Nakiska, située à environ 3 km au Nord-Ouest du site KES, a été utilisée pour caractériser les transitions pluie-neige sur les pentes de la montagne.

• La station de ski Fortress Mountain situé à environ 15 kms au Sud-Ouest de KES sur les pentes de la montagne The Fortress, culminant à 3000 m d'altitude. Ce site a été utilisé pour caractériser les transitions pluie-neige, mais aussi pour caractériser les différents types de cristaux de neige à 1 'aide de macrophotographies prises à tme altitude d'environ 2050 rn sur les flancs de la montagne. A noter que des macrophotographies des flocons ont également été prises à KES.

2.1.2 Instrumentation

Plusieurs instruments au site KES ont été utilisés pour collecter les données reliées aux conditions à la surface ainsi qu'à la structure verticale de l'atmosphère (figure

2.2). En plus d'une station météo qui mesure la température T, la pression p,

1 'humidité relative HR ainsi que la vitesse et la direction du vent à chaque minute, un système de radiosondages a été utilisé pour obtenir des profils verticaux de Tet HR

au-dessus de la vallée, avec des radiosondes de type Vaisala RS92. Le principe de la mesure consiste à fixer une sonde météorologique à un ballon remplie d'hélium,

laquelle lors de son ascension transmettra les données mesurées via une antenne VHS/GPS à la surface. Le pas de temps utilisé pour 1 'écriture des données dans des fichiers de sortie est de 2 s, ce qui pem1et d'obtenir une courbe précise de l'état thermodynamique de 1' atmosphère et de la vitesse et direction du vent dans les environs de KES. De plus, des informations sur les erreurs associées à la mesure sont disponibles pour chaque radiosondage, notamment le niveau de bruit due à la télémétrie, ainsi qu'un contrôle de la qualité des données GPS. Les ballons-sondes ont été lancés à intervalle de 3h durant chaque événement.

Par ailleurs, un disdromètre à laser optique, OTT Parsivel 2 (Tokay et al., 2014), a été déployé pour obtenir des infonnations à propos des caractéristiques des particules à la surface. Le nom PARSIVEL est l'acronyme de "PARticule Size VELocity". Ce disdromètre (ou« capteur de gouttelettes»), d'une façon générale, permet de mesurer la distribution de taille des hydrométéores ainsi que leurs vitesses de chute. Le signal associé avec le faisceau laser émis change lorsque n'importe quel hydrométéore intercepte ce faisceau, permettant ainsi de calculer la taille de la particule. La vitesse

de chute est calculée à partir de la taille de la particule en supposant une relation fixe entre les dimensions horizontales et verticales et la période de temps durant laquelle le signal est interrompu par la particule traversant le faisceau. La figure 2.3 schématise le principe de la mesure d'un OTT Parsivel. Cette instrument mesure des

particules de moins de 0.1 mm jusqu'à 25 mm de diamètre avec des vitesses de chute

allant de 0.2 à 20 m/s. Il définit 32 classes de taille et de vitesse des hydrométéores

pour 8 types de précipitations : bruine, bruine/pluie, mélange pluie/neige, neige,

grains de neige, pluie ver glaçante, grêle. Il peut mesurer des intensités allant de 0.001

à 1200 nun/h et le cumul des précipitations mesurées est précis à ±5 % pour les

précipitations liquides et ±20 % pour les particules solides. Les échantillons ont été

pris à chaque 10 s ce qui permet d'obtenir des distributions bimodales de taille et de

vitesse de chute, pour déterminer les types principaux de particules à la surface.

Enfm, un Micro Rain Radar 2 (MRR2 ; Klugmann et al., 1996), a été utilisé pour

obtenir des infom1ations sur la structure verticale de l'atmosphère. Plus

particulièrement, le MRR2 est un radar Doppler pointant verticalement et émettant nn

signal à une fréquence de 24.1 GHz, c'est-à-dire dans le domaine micro-ondes. Ce

radar pem1et de détecter des particules ayant un diamètre de l'ordre du cm. La

radiation rétrodiffusée et le signal transmis produisent 2 fréquences différentes après

réception dans le mélangeur de fréquence. Ce décalage de fréquence dépend de la

distance entre le radar et la cible, et les vitesses de chute des particules. En plus de

mesurer le champ vertical de réflectivité, la vitesse Doppler des particules, la largeur

spectrale (plus fréquenunent référé en anglais par «spectral width » ), le contenu en

eau liquide ou encore le taux de précipitations par exemple peuvent être obtenus.

Pour cette étude, le MRR2 a été configuré pour mesurer les champs de réflectivité, de

vitesse Doppler, et de largeur spectrale avec une résolution verticale de 200 rn à partir

d'une distance de 50 rn au-dessus de la surface.

2.1.3 Observations manuelles

Lorsque les précipitations se produisaient, des observations manuelles des conditions

exemple, ces données faisaient référence au couvert nuageux, la visibilité horizontale ou encore le type de précipitations selon l'expertise des observateurs sur le terrain. Lorsque la neige se produisait à KES, des macrophotographies des flocons ont été

prises à chaque 10 min en utilisant un appareil photo digital à haute résolution. Les flocons ont été collectés sur une plaque rigide recouverte par un velours noir. Cette méthode utilisée est similaire à celle utilisée par Gibson et Stewart (2007), Henson et aL (2011) ainsi que Thériault et aL (2014). Les échantillons obtenus dans ces précédentes études ont permis de documenter un grand nombre de cristaux de glace,

de taille et de forme différentes, en vue de les mettre en perspective avec les conditions environnementales dans lesquelles ils se produisent Les limites de cette technique apparaissent lorsque les précipitations solides se produisent à des températures positives car les cristaux de glace fondent lorsqu'ils rentrent en contact avec le support d'échantillonnage. Une étude détaillée des types de précipitation solides observés durant la campagne de terrain est documentée dans Hung (2017).

Lorsque des événements de pluie se produisaient dans la vallée, les observations ont été collectées à plus hautes altitudes en accédant la station de ski Nakiska et à Fortress Mountain. Plus précisément, des stations météo portables de type Kestrel (figure 2.4) ont été utilisées pour mesurer les profils de température et d'humidité sur la pente des montagnes, en voiture ou bien directement à ski. Cette méthode de mesure a été utilisée dans Thériault et aL (2014.) De plus des macrophotographies des flocons ont été prises à Fortress Mountain au-dessus de la couche de fonte. Ces informations ont été utilisées pour enquêter sur les processus microphysiques associés avec la ligne de transition pluie-neige.

La prochaine section décrit les méthodes et techniques utilisées pour traiter et analyser les données collectées durant la campagne de terrain, ainsi que les données simulées par un modèle numérique.